Опыт Юнга
Юнг, проковыряв две маленькие дырочки в непроницаемом для света экране, задал задачу науке не разрешимую до сих пор. Лучшие умы мировой науки (Фейнман, Пенроуз и множество других наших и не наших столпов) никак не поймут, почему так не логично ведут себя частицы и волны при проходе через эти две злополучные дырочки Юнга.
К сожалению, в рамках атомарного уровня познания это понять вообще невозможно, сколько не бейся. Надо перейти на квантовый уровень, на 20 порядков ниже.
И опыт то вроде простой. Ну не сравнишь же его с коллайдером. Приходится констатировать:
Загадочный эксперимент в области квантовой физики, результаты которого современная наука не может объяснить.
Прямо беда какая-то.
Вот классическая схема эксперимента.
S – источник света (у Юнга это обычный солнечный свет),
А – диафрагма с отверстием (у Юнга это оконная штора с небольшим отверстием),
B – непрозрачная пластина с отверстиями,
S1 и S2 – небольшие отверстия или щели в пластине,
Э – экран.
И тут начинаются чудеса. Когда открыта только одна щель, на экране видна одна светлая полоса. Открывая вторую щель, мы надеемся получить вторую светлую полосу. Но не тут то было. Вместо двух полос мы видим три, а то и больше полос. На рисунке их пять. Все зависит от качества опыта. Причем оказывается, что расстояние между горбами кривой освещенности ∆x для различных цветов различное.
Мало того средняя светлая полоса иногда оказывается прямо между отверстиями, куда свет по логике вещей вообще не должен попадать. А он попадает. Юнг смекнул, что свет имеет волновую структуру, и волны из двух щелей создают на экране интерференционную картинку. Примерно так:
Роджер Пенроуз в своей книге “Новый ум короля” тоже нарисовал примерно такую же картинку.Опыт ЮнгаКак видите у него перед двумя щелями волна, которая делится щелями на две меньшие волны, которые и создают интерференционную картинку на экране. В одном месте колебания взаимно погашаются, а в другом взаимно усиливаются.
И по поводу этой картинки он высказал такие мысли.
Нет ничего загадочного в поведении обычной макроскопической классической волны, проходящей одновременно через две щели. Волна в конечном счете представляет собой всего лишь “возмущение” либо некоторой непрерывной среды (поля), либо некоторого вещества, состоящего из мириад крохотных точечных частиц.
Интересно, какие поля имеет в виду Пенроуз? Думаю, что кроме магнитного, электрического, электромагнитного, гравитационного и, может быть, торсионного полей, нам ничего найти не удастся. Что из этого было в комнате Юнга? Это эти поля интерферировали в его опытах? Похоже, что – нет.
Но вот последняя мысль о веществе, состоящем из мириад крохотных точечных частиц, почти верна. Пенроуз не пошел по этой тропе, возможно, из-за незнания эмиссионной теории Вальтера Ритца. А возможно из-за непонимания, что такое фотон.
Ибо дальше говорится:
Но в корпускулярной картине ситуация иная: каждый отдельный фотон сам по себе ведет себя, как волна! Ибо, если значительно уменьшить полную интенсивность света, то можно гарантировать, что вблизи щелей будет находиться не более одного фотона одновременно.
А один фотон это что? Если это свет создаваемый лампочкой, то в этом одном фотоне ровно столько элементарных фотонов, сколько электронов, например, в нити накаливания лампочки. Каждый элементарный фотон излучается одним электроном. Уменьшая интенсивность света, Вы уменьшаете количество фотонов, не изменяя самого фотона. А интерференционную картинку создают элементарные фотоны. Каждый элементарный фотон взаимодействует только с одним электроном на экране. А поскольку элементарных фотонов в фотоне много, то и получается интерференционная картинка, даже если будет один фотон (пакет элементарных фотонов).
Фотон и есть то вещество, как пишет Пенроуз, состоящее из мириад крохотных точечных частиц, то есть одиночных элементарных фотонов. Естественно, что элементарные фотоны мы измерять не можем. Это сверхзадача для человечества. Конечно же, элементарный фотон не может создать и интерференционную картинку.
Пенроуз делает верно, когда сравнивает размер фотона с размерами щели и расстоянием между щелями. Он пишет:
Если в качестве “размера” фотона принять его длину волны, то в масштабе фотона вторая щель находится от первой на расстоянии около 300 “размеров фотона” (а ширина каждой щели составляет около двух длин волн фотона).
Фотон никак не может одновременно контактировать с двумя щелями и поэтому у Пенроуза возникает вопрос:
Каким образом фотон, проходя через одну из щелей, “узнает” о том, открыта или закрыта другая щель?
И дальше:
На самом деле, в принципе не существует предела для расстояния, на которое могут быть разнесены щели, для того, чтобы произошло явление “гашения или усиления”.
А вот тут не так. Длина фотона в данном случае не имеет никакого значения. В щель пролезают элементарные фотоны, а не фотон целиком. Как генерируется фотон. Увеличим сильно нить накаливания лампочки.
При подаче на проводник напряжения электроны придут в движение и излучат фотоны, которые и полетят в этом же порядке в пространство. Если, например, электрон а задержит фотон один, то фотон 1 задержится, но сечение фотона, то есть вектор Пойтинга, останется прежним. Вот такая и будет толщина фотона. Конечно, это идеальная картинка излучения фотона. На самом деле фотоны будут излучаться во все стороны от проводника. В этом повинна и форма проводника, и тепловое движение, и отражения, и преломления и тому подобное. Диаграмма излучения будет шарообразной. Это мы видим на практике. Единственное что, к сожалению, мы не видим это то, что этот шар будет полый. Пока напряжение U будет возрастать, до тех пор и будут излучаться фотоны. Как только напряжение поменяет знак, ускорение прекратится, электроны будут двигаться по инерции и ничего излучать не будут. Вот этот, будем считать шарообразный, слой фотонов и отправится в путешествие от излучателя. Он улетит на некоторое расстояние от источника и за ним ничего не будет, пока электроны в проводнике не затормозятся обратным напряжением и не загрузятся новыми фотонами. Затем напряжение снова поменяет знак и начнет ускорять электроны, и они снова излучать новую волну фотонов. Расстояние между этими порциями энергии и есть длина волны излучения.
Фотоны, составляющие эти кольца или какие-нибудь другие фигуры в сечении, в идеале будут выглядеть примерно так:
Если сечение кольца s будет меньше расстояния между щелями, то никакой интерференционной картинки не будет. Пакеты должны перекрывать обе щели одновременно.
Такие фотоны мы получаем от Солнца. Солнце далеко и лучи от него к нам приходят параллельно. От лампочки редкие элементарные фотоны летят параллельно. Но чем дальше от лампочки, тем относительная параллельность больше. Из-за этой параллельности нам приходится вырезать часть луча предварительным экраном. Длина волны λ для каждого излучения своя, красная составляющая имеет длину 740 нм, а фиолетовая 380 нм .
Таким образом, мы перед щелями мы всегда имеем волну “некоторого вещества, состоящего из мириад крохотных точечных частиц” по выражению Пенроуза.
Эти крохотные точечные частицы не что иное, как фотоны и они не точечные, а линейные, что чрезвычайно важно. Хотите, называйте их струнами или стрелочками Фейнмана. Каждый из элементарных фотонов проходит только через одну щель, и знать не знает и не желает знать, открыта вторая щель или закрыта. Природа делает свое дело.
Для элементарного фотона щель представляется тоннелем с торчащими со всех сторон атомами со своими электронами. Чем уже щель, тем труднее проскользнуть фотону не про взаимодействовав с каким-нибудь электроном. А взаимодействие всегда приводит к изменению направления фотона. Это приводит к тому, что на выходе щели получается рассеянное полусферическое кольцо. Если исходную волну мы считаем почти плоской, то на выходе щели это сферическая волна. В ней элементарные фотоны частично перемешались, развернулись и сдвинулись.
И теперь самое главное. В этих волнах кажется полный беспорядок в элементарных фотонах. Тот фотон короткий, тот длинный, а тот еще длиннее. Все они беспорядочно сдвинуты по фазе в каждой волне. Как они могут усиливать или погашать друг друга, по выражению Пенроуза?
Современная наука приучила нас к тому, чтобы мы складывали синусоиды с учетом фаз. Но синусоиды это виртуальные объекты и поэтому для них существуют свои виртуальные законы. А природа работает с объективно существующими импульсом и энергией фотона. И сумматору (электрону) в больших пределах безразлично, когда начнут на него воздействовать фотоны. Примерно так, как качелям безразлично, когда три человека передадут им свой импульс, лишь бы это случилось на восходящей или нисходящей ветви. То есть, когда качели находятся вверху и начали двигаться в низ, то один человек их может толкнуть сразу же, другой где-то в средине, а третий в нижней точке. А могут толкнуть все три одновременно. Если импульсы одинаковы, то и результат будет одинаков.
С фотонами такая же ситуация. Если два фотона оказались на каком-то электроне даже со сдвигом один относительно другого, то они могут сложиться на электроне и затем излучится в виде этой суммы.
Рассмотрим увеличенный до атомов участок экрана. Конечно, это идеализирована схема. На данный участок падают фотоны со щели 1 (красные стрелочки) и фотоны со второй щели (голубые стрелочки). В зависимости от расстояния от щелей фотоны прибывают к одному и тому же атому в различное время. Допустим фотон из щели 1 попал на электрон 1 в точке а орбиты электрона. Импульс фотона будет тормозить электрон. Если фотон не излучился до точки б и в это время на этот же электрон попадет фотон со второй щели, то этот фотон будет ускорять электрон. То есть один фотон тормозил электрон, а второй ускорял электрон. Электрон согласно этой сумме сил приобретет какую-то скорость. И соответственно этой скорости излучит или поглотит фотон. На электроне 1 произойдет вычитание фотонов. На электроне 2 тоже произойдет вычитание фотонов. На электроне 3 может произойти как вычитание, так и сложение. А на электронах 4, 5, 6 произойдет сложение фотонов. Так по всей плоскости экрана и будет идти волной вычитание и сложение. В идеальном случае, результатами вычитания и сложения фотонов могут быть фотоны различной длины, от нулевой, до суммы квантов в обоих фотонах. Если ни один из результатов не будет резонансным для данного электрона, то электрон излучит эту сумму. Так как частоты этих излученных фотонов совпадают с частотой падающих фотонов, то это будет тот же цвет, только различной интенсивности. Появляются полосы различной интенсивности.
Если, например, экраном будет светочувствительная пластина, то суммарные фотоны определенной величины переведут атомы серебра на другие уровни. А суммарные фотоны меньше этой величины излучатся атомами, и атомы останутся в прежнем состоянии. На пластине будут светлые и темные полосы.
Сбивает с толку ученый люд и такое явление. Как быть с частицами? Они ведь тоже создают интерференционную картинку. Да, создают. Наверное, многие видели мультик, как дедушка в очках палит из пушки электронами по двум щелям и получает интерференционную картинку. Ему невдомек, что когда он палит из пушки, то ускоряет электроны, которые генерируют фотоны. А эти фотоны и создают данную картинку.
Если бы на экране скапливались в полосе электроны, то их потенциал можно было бы легко измерить. На светлой полосе один потенциал, а на темной полосе другой и все споры прекратились бы. И уж совсем невозможно представить, как электроны в светлых полосах нейтрализуют друг друга.
Но кроме этого возникает еще одна проблема с частицами. Когда мы пытаемся увидеть частицу, то есть проводим измерения, на одной щели, то интерференция прекращается. Очевидно, что мы вмешались в движение, чем изменили параметры движения этой частицы, и она вышла из интерференционного процесса. Фейнман определил интерференцию, как проход частицы через обе щели. По его теории, например, электрон одновременно движется по множественным путям к своему пункту назначения. До щели он летал, обходя все препоны и ловушки, и вдруг после щели попал в наш измерительный прибор. Не смог, имея в своем арсенале множество путей распространения, обойти наш прибор. Проведите тысячи измерений, и результат будет тот же.
В общем можно сказать, что никакого дуализма в том понятии, как представляют его себе ученые, нет. А тем более возводить это несуразное, не подчиняющееся никакой логике, понятие в закон квантовой механики и вовсе нелепо.
Дуализм существует только в таком виде. Фотон состоит из вихрей полей, назовите это волнами, а фотоны, движущиеся друг за другом с определенной скважностью (частотой излучения), представляют волну. Волна не материальна, она организатор материальных частиц в движение, которое мы называем волной.
